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精准预测气候变化?有可能!

精准预测气候变化?有可能!
 

  23日,与会者在发布会场外观看中科院地球系统模式1.0版本的应用演示。新华社记者 李鑫摄

  尽管气象部门能根据短时降雨量将天气划分出蓝色、黄色、橙色、红色4个预警信号,但目前的天气预报只停留在区域性的雨量预测,尚不能精准预测暴雨会给哪些地方带来什么灾害。

  9月23日,由中国科学院大气物理所牵头、联合曙光信息产业(北京)有限公司、中科院计算机技术研究所、中科院计算机网络信息中心共同参与研制的“地球数值模拟装置”原型系统(以下简称原型系统)项目在北京落成并成功运行,这意味着精准预测气候变化有望成为现实。

  做什么?

  通过大规模计算,认识和再现地球系统的过去和现在,并预测未来

  2009年,中科院大气物理研究所叶笃正等6位中科院院士联名建议,随后,国家发改委在《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012年—2030年)》中将“地球数值模拟装置”系统纳入“十二五”大科学装置建设规划。“地球数值模拟”就是在超级计算机上进行大规模的科学计算,从而认识和再现地球腾讯分分彩系统的过去和当前状况,并预测未来。此次落成并成功运行的原型系统就取用“地球数值模拟装置”系统这一大科学工程建设规模的1/10。

  大气动力学家、中国科学院院士曾庆存说,“原型系统的峰值计算速度为1Pflops(相当于每秒一千万亿次的浮点运算),从硬件配置架构和科学软件检验两方面,开展模式计算效率、性能优化等方面的研究和验证,论证建设方案的科学、合理性,并对各个分系统建设方案进行优化和改进,为‘地球系统数值模拟装置’的建设提供理论支撑。它的落成和成功运行,将有力地推动大科学装置的建设。”

  据介绍,原型系统建设项目由地球系统模式、区域高精度大气污染模拟系统、面向地球科学的高性能计算机系统、地球系统数值模拟并行软件支撑框架、地球系统模式可视化平台五大部分组成,可满足对地球系统的仿真研究。借助该系统,科学家可在地球系统模式研发、短期气候预测、灰霾治理等方面得出一些对社会和科学有益的成果。

  “高性能计算机的系统计算速度达到1Pflops,存储空间达到5Pb,各项指标均处于国内领先地位。目前已有大气环流、冰盖、陆面过程等模式移植入原型系统,并取得初步结果。”中科院大气物理研究所所长朱江说,“这也充分证实‘地球数值模拟装置’系统这一大科学装置项目的建设方案完全有效可行。”

  有啥用?

  对气候灾害进行精准预报,可极大减少经济损失和人员伤亡

  根据中国气象局资料统计,近年来我国每年重大气候灾害影响大约4亿人次,所造成的经济损失占国民生产总值的1%—3%。生存环境变化,已严重影响人类的生存和社会的可持续发展。然而,一直以来,气候和环境危机都无法实现准确预测。

  “关键在于我们对地球系统变化和运动规律认识的局限性。地球系统极其复杂庞大,传统的理论和观测实验方法局限性太大,远不能满足整体研究的要求,需要从系统的角度对地球各圈层自身的演化规律及它们之间相互作用的规律进行研究。所以,只有将理论模式和大规模计算结合的数值模拟才有可能实现对气候灾害的准确预测。”朱江介绍。

  比如,当前类似滑坡、泥石流灾害预测预警系统的建立难度巨大。一方面,天气变化包含许多空间尺度的过程,这需要多学科的前沿知识和多种技术的协作;另一方面,还需要一个有效运作的平台,这个平台不仅要有强大的计算能力和性能优异的天气和泥石流预报等模型,还要有快速的网络通讯及海量的存储设备。

  这些要求只有通过建立原型系统才可以得到满足。这一装置在软件层面集成了基于地球系统模式的气候系统模式分量,因此有望实现高精度的滑坡和泥石流等灾害预警和预报,从而极大减少其带来的经济损失和人员伤亡。

  据了解,原型系统最大的亮点之一是“地球系统模式1.0版本”,其包含完整的气候和生态环境系统分量,包括大气、海洋、海水、海冰、陆面水文、大气化学和气溶胶、动力学植被、海洋生物地球化学等子系统模式或分量模块,并通过一个通量耦合器实现它们之间的完整耦合。

  如此一来,原型系统成了自然灾害的“时光机”,自然灾害可以“提前发生”(仿真)在原型系统中。原型系统观测自然、积累数据,并对这些观测数据进行分析和挖掘,再从物理、化学和生物学的规律出发建立有关地球过程的定量关系,据此建立概念模型和数学模型,通过验证模型和模式,就可以实现对未来变化趋势的预测和预报。

  啥意义?

  掌握核心数据,有助于提升在气候、环境领域的国际话语权

  除了使中国人有能力开展解读地球的研究外,原型系统的落成和成功运行还有更深远的意义。

  美、日以及欧洲的发达国家早已建有软硬件结合、面向地球系统的专门模拟装置。如日本利用其定制的“地球模拟器”,建立了当前最高分辨率的短期气候预测系统,使年际气候预测水平世界领先,极大地提高了国际影响力。

  气候变化公约、碳排放谈判则是世界上最复杂的多边外交谈判。美国国家大气研究中心(NCAR)凭借其长期领先世界的数值模拟装置“Yellowstone”,始终主导着全球变暖预估试验的设计和评估报告的撰写,“我们需要有自己的计算数据作为谈判依据,以提升我国在气候与环境领域的国际话语权。”曾庆存表示。

  “由于尚缺乏面向地球系统专用的数值模拟装置,我国地球系统模式的研制和气候变化模拟研究受到很大制约,当前参与IPCC(政府间气候变化专门委员会)评估报告的全球气候模式比发达国家落后10年,这使得我们的研究结果科学支撑能力不足,导致我国在国际外交谈判时话语权微弱。因此,建设我国自己的地球系统数值模拟装置是势所必然。”曾庆存说。

  除在原型系统上有步骤地实施解读地球计划外,该系统装置还可以为其他应用高性能计算、大数据分析等服务。

  曙光公司总裁历军表示:“地球数值模拟装置”对高性能计算机的发展有示范和指导意义,在性能提高的前提下,如何降低能耗是未来将面对的一大挑战。 

  掌握科技发展的主动权(记者手记)

  现代科技的重大突破越来越依靠科研仪器的进步。

  近年来,我国在大科学装置项目建设方面投入力度很大,先后建设和运行了北京正负电子对撞机、北京同步辐射装置、合肥同步辐射装置等一批大科学装置。与一般的科学仪器及装备相比,大科学装置规模大、耗资巨大,建设周期长,建成后要通过长时间稳定的运行、不断的发展和持续的科学活动才能实现预定的科技目标。

  发达国家科技创新体系的经验和我国大科学装置的研发实践表明,作为一个国家科研基础设施水平和装备制造能力的集中体现,大科学装置是对基础科学、多学科交叉进行前沿研究的公共平台,其建设和运行水平标志着一个国家创新能力的高低。同时,它也是科学技术诸腾讯分分彩多领域取得突破的必要条件,并成为高新技术产业的摇篮。

  中国科学院院士杨国桢曾说:“掌握了最先进的科学仪器研发技术,就掌握了科技发展的主动权。”在利用好已建成的大科学装置的同时,自主研发出更多更好的大科学装置,不仅必要而且迫切。

(原载于《人民日报》 2015-09-24 11版)